地铁列车荷载作用下地裂缝附近土压力响应特征模型试验研究

刘 蕾，马 涛，刘雪玲，倪天翔

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.青海省地质环境监测总站，青海 西宁 810001；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；4.中国地质环境监测院，北京 100081)

地铁列车荷载作用下地裂缝附近土压力响应特征模型试验研究

刘 蕾1，马 涛2，刘雪玲3，倪天翔4

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.青海省地质环境监测总站，青海 西宁 810001；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；4.中国地质环境监测院，北京 100081)

为研究地铁列车振动荷载对地裂缝附近土压力动响应的影响机理，开展了地裂缝与斜交马蹄形地铁隧道的物理模型试验，分别制作地铁隧道模型和土层模型，采用激振器模拟地铁列车振动，通过压力盒测试土压力分布规律。试验结果表明：地裂缝未活动时，激振点所在的地裂缝一侧的附加土压力大于另一侧的附加土压力，离激振点越远附加土压力越小。垂直隧道方向的附加土压力分布具有隧道轴线处最大、隧道两侧逐渐减小的规律。地裂缝活动后，位于隧道上部的土体附加压力呈现上盘大、下盘小的分布规律，其余部位的附加土压力呈现下盘大、上盘小的规律。地裂缝未活动时，土体附加压力的分布主要受地裂缝的存在及与激振点距离的影响；地裂缝活动后土体附加压力的分布主要受隧道与土体接触状态的影响。

地裂缝；地铁隧道；列车荷载；土压力；模型试验

西安地铁目前已有多条线路运行通车，由于西安地铁具有穿越地裂缝的特殊地质环境，地铁列车振动荷载引起的地裂缝地段土体动力响应成为目前较为关注的科学问题。关于地铁列车振动荷载对隧道结构及附近地层的动力作用问题，国内外学者开展了大量的研究工作[1-10]，取得了较多的成果。针对地裂缝环境下地铁隧道与地层的动力作用研究成果相对较少，袁立群[11-12]通过马蹄形隧道与地裂缝正交的物理模型试验，分析了地裂缝、地铁隧道、地层在列车荷载作用下的相互影响关系。杨觅[13-14]建立了不同衬砌型式下的隧道-地裂缝-地层相互作用模型，分析了地裂缝邻近土体振动的基本特征，以及正交隧道断面尺寸和形状对振动响应的影响。

目前，地裂缝环境下斜交地铁隧道与地层的动力作用的研究成果尚不多见。本文通过物理模型试验，对地裂缝与地铁隧道斜交的情况下，地铁列车振动荷载引起的地裂缝附近土体的土压力动响应进行研究。

1 试验设计

1.1 试验模型

根据试验条件和西安地铁实际工程情况确定相似比例，设计缩尺试验模型。分别制作地铁隧道模型和土层模型，采用激振器模拟地铁列车振动，通过压力盒测试土压力，研究地铁与地裂缝斜交情况下，地铁振动荷载引起的地裂缝附近土体中土压力的动力响应。试验模型示意图见图1。试验模型中地裂缝与地铁的交角为60°，地裂缝倾角为80°。

图1 模型试验设计图(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of test model(unit：cm)

1.2 相似比例设计

本文以西安地铁2号线的地铁隧道结构为原型，断面呈马蹄形，隧道埋深20 m，结构高度9.55 m。根据试验条件，本次试验的几何相似比Cl=20、弹性模量相似比CE=1.5，根据相似理论原理[15]，计算各物理量的相似比见表1。

1.3 模型材料

(1)地层

根据经验及多次配比试验，确定采用黏性土、重晶石粉、河砂混合而成，黏土∶重晶石粉∶砂∶水的配比为30∶55∶10∶5。

表1 模型试验各物理量的相似比Table 1 Similitude ratio of the model test

(2)地裂缝

本次试验在试验模型中预设地裂缝，地裂缝宽度10 mm，倾角80°，裂缝中用粉细砂填充。

(3)地铁隧道结构

根据相似比，模型隧道高47.75 cm，宽47 cm，厚2.75 cm，长1.8 m；采用细石混凝土浇筑而成，混凝土标号C15；结构模型内纵向配筋为38根Φ2钢筋，纵筋间距40 mm；横向配筋为86根Φ2钢筋，间距20 mm。地铁隧道断面见图2。

图2 隧道模型断面图(单位：cm)Fig.2 Section diagram of tunnel model(unit：cm)

1.4 地铁列车振动荷载设计

试验中采用TST-10型10 kg激振器产生振动荷载。西安地铁2号线的列车为六辆车编组，列车轮对荷载P0=160 kN。由激振器产生作用于基底的激振力可表示为：

试验中采取10 Hz的频率对轮轨进行加载，共设置4个激振点，激振点与下盘地铁隧道边界的距离分别为60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，具体位置见图3。

图3 激振点位置图(单位：cm)Fig.3 Layout of vibration exciters(unit：cm)

1.5 量测内容及仪器

本次试验采用ZFCY180微型压力盒测试土压力。

分别在填筑高度15 cm、50 cm、85 cm的位置埋设三层土压力盒，其中填筑高度15 cm、85 cm的位置分别布设三条测线，一条测线位于地铁隧道中轴线，另两条测线位于隧道中轴线两侧30 cm的位置；在填筑高度50 cm层于隧道两侧布设两条测线，测线与隧道中轴线的距离为30 cm。各测线均与隧道纵向平行，每条测线布置土压力盒5个，上盘3个，下盘2个，各压力盒距地裂缝的距离分别为：上盘37 cm、20 cm、3 cm；下盘3 cm、20 cm。土压力盒具体布设情况见图4。

图4 土压力盒布设位置图(单位：cm)Fig.4 Layout of pressure cells (unit：cm)

2 试验结果与分析

2.1 地裂缝未活动时土压力响应

本文采用附加土压力分析振动荷载导致的土压力动力响应，附加土压力指的是在激振时测取的土压力与未施加激振荷载时的静土压力的差值。图5～图7分别为地裂缝未活动时10 hz激励下各测线的附加土压力曲线。

图5 地裂缝未活动时15 cm高度附加土压力曲线Fig.5 Additional earth pressure curves at the height of 15 cm before the ground fissure movement

图6 地裂缝未活动时50 cm高度附加土压力曲线Fig.6 Additional earth pressure curves at the height of 50 cm before the ground fissure movement

图7 地裂缝未活动时85 cm高度附加土压力曲线Fig.7 Additional earth pressure curves at the height of 85 cm before the ground fissure movement

根据图中的测试结果，地裂缝未活动时，各条测线的附加土压力均为正值。从竖直方向比较，附加土压力值随土体高度的增加逐渐减小，其原因主要受测点位置静止土压力的大小及测点距激振点的距离影响。自下而上的三条测线，土体埋深逐渐减小，因此静止土压力逐渐减小；此外三条测线距激振点的距离依次增大，距激振点越远地层受振动的影响越弱。

从隧道纵向比较，激振点所在侧的土体附加压力普遍大于地裂缝另一侧的土体附加压力，且距激振点越远土体附加压力越小，跨越地裂缝时附加土压力有较大程度的减小。

从垂直隧道的方向比较，隧道轴线部位的附加土压力均大于相同高度的隧道两侧土体的附加土压力。

2.2 地裂缝上盘下降时土压力响应

图8～图10分别为地裂缝上盘下降1 cm时10hz激励下不同高度土体的附加土压力曲线。

图8 地裂缝上盘下降时15 cm高度附加土压力曲线Fig.8 Additional earth pressure curves at the height of 15 cm after the ground fissure movement

图9 地裂缝上盘下降时50 cm高度附加土压力曲线Fig.9 Additional earth pressure curves at the height of 50 cm after the ground fissure movement

图10 地裂缝上盘下降时85 cm高度附加土压力曲线Fig.10 Additional earth pressure curves at the height of 85 cm after the ground fissure movement

地裂缝上盘下降后，各条测线的附加土压力分布与地裂缝未活动时有较大差别。除测线3-2(位于隧道上部中轴线位置)外，其余测线的附加土压力分布规律大致相同，均表现为上盘的附加土压力基本为零，下盘的附加土压力较大。而测线3-2的附加土压力分布规律恰恰相反，表现为上盘的附加土压力较大，下盘的附加土压力基本为零。

根据前期开展的地铁与地裂缝物理模型试验得知，地裂缝上盘下降后，隧道与土体的接触关系发生变化，隧道与上盘的隧道下部土体、下盘的隧道上部土体产生脱空现象，上盘的隧道上部土体及下盘的隧道下部土体产生挤密现象。脱空部位的土压力基本为零，且地铁列车振动时对附加土压力影响不大，因此附加土压力基本为零。挤密部位的土体在振动作用下进一步被压密，导致附加土压力增大。由此可见，地裂缝活动后隧道附近土体附加压力的分布规律主要受隧道与土体接触状态的影响。

3 结 论

通过斜交马蹄形地铁隧道与地裂缝的物理模型试验，研究了地铁列车荷载作用下地裂缝附近的土体的土压力响应，主要取得以下几点认识：

(1)地裂缝未活动时隧道附近的土体附加压力具有以下分布规律：竖直方向随土体高度的增加附加土压力逐渐减小；隧道纵向上，激振点所在地裂缝一侧的附加土压力大于另一侧的附加土压力，跨越地裂缝时附加土压力有较大程度的减小，离激振点越远附加土压力越小。垂直隧道的方向，隧道轴线部位的附加土压力大于相同高度的隧道两侧土体的附加土压力。

(2)地裂缝上盘下降时，隧道上部的土体附加压力呈现上盘大、下盘基本为零的分布规律，其余部位的土体附加压力呈现下盘大、上盘基本为零的规律，且激振点从下盘移至上盘时下盘土体附加压力有所减小。

(3)地裂缝未活动时，土体附加压力的分布主要受地裂缝的存在及与激振点距离的影响；地裂缝上盘下降后，隧道附近土体附加压力的分布主要受土体与隧道接触状态的影响。

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Dynamicresponseanalysisoftheearthpressureingroundfissuresareaundervibrationloadsofmetrotrain

LIU Lei1，MA Tao2，LIU Xueling3，NI Tianxiang4

(1.CollegeofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083，China；2.GeologicalEnvironmentalMonitoringCentralStationofQinghaiProvince,Xining,Qinghai810001,China;3.CollegeofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,
Shaanxi710054,China；4.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Beijing100081，China)

A large scale model test was carried out to study the dynamic response of the earth pressure in ground fissures area under vibration loads of train. The metro tunnel model and the layer model was built. The metro train vibration was simulated by the vibration exciters. The earth pressure was tested by the pressure cell. The test results show that the additional earth pressure on the side of the vibration exciter is bigger. The additional earth pressure reduces when acrossing the ground fissure. The additional earth pressure on the axes of tunnel is bigger than that on the side of the tunnel. When the halling wall of ground fissue descends, the additional earth pressure above the tunnel has the distributing disciplinarian of that on the side of halling wall is bigger than that on footwall,while the distributing disciplinarian is opposite in the other area of ground fissure. The additional earth pressure becomes small when the vibration exciter moving to the halling wall from the footwall. Before the ground fissure movement, the additional earth pressure distribution is affected mainly by the ground fissure. When the halling wall descends, the additional earth pressure distribution is affected mainly by the contact state of the tunnel and the soil.

ground fissure；metro tunnel；train loads；earth pressure；model test

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.19

P642.22

A

1003-8035(2017)04-0119-06

2017-06-16;

2017-08-24

国家自然科学基金(41172257)青海省自然科学基金(2017-ZJ-909)；青海省应用基础研究(2014-ZJ-706)

刘 蕾(1983-)，女，博士，主要从事地质工程及安全工程等方面的研究。E-mail:2370574038@qq.com